一、引言

组装式离心压缩机又称为组装型整体齿轮增速式离心压缩机,近年来在世界上发展得很快。我国对这种压缩机的需求量很大,广泛应用在冶金、空分装置、石化、制药、动力站等各个领域。由于我国以前不能生产组装式压缩机,基本上都依靠进口。据初步统计每年进口的不同型号的这种压缩机近100台。我公司经过多年的研究与开发,已经研制成功这种组装式压缩机并且初步形成系列,不仅在国内市场占有一席之地,而且部分产品已经销售到国外。本文根据组装式压缩机的主要特点,介绍了这种压缩机的优点、关键技术和国产化发展趋势等问题。

二、组装式压缩机的结构特点及其优点

与一般的单轴多级离心压缩机不同,组装式离心压缩机采用了多轴多转速、每级一冷却、各级轴向进气和齿轮箱、蜗壳集成在一起的结构。

由于结构形式的区别,组装式离心压缩机具有一般单轴多级离心压缩机所不能具备的优点。

1.更接近等温压缩的过程

在分析压缩机的压缩过程时通常可以分为等温过程、绝热过程和多变过程,其中等温过程的压缩功是最小的。当然完全的等温压缩是不可能的,但可用等温效率来衡量压缩机的耗功,也就是说压缩过程越接近等温过程也就越省功,效率就越高。组装式离心压缩机由于采用了每级一冷却的方式,使其实际的压缩过程尽量接近等温压缩,因此这种压缩机在相同条件下比其他形式压缩机更省功,效率更高。

2.各级叶轮在更佳的转速下运行

叶轮在不同的转速下具有不同的流量系数和能头系数。在多级离心压缩机设计中,各级叶轮的流量系数、能头系数、转速、直径等参数必须匹配,否则机组就不能在最佳的状态下工作。传统的单轴多级离心压缩机结构迫使较多的叶轮必须在同一个转速下工作,对压缩机的性能匹配和工况范围造成一定的影响。而组装式离心压缩机采用了多轴多级的方式,同一转速下最多只有两个叶轮,这样就优化了机组的整体性能。同时由于多轴的结构,可以使每级叶轮都实现轴向进气,减小进口气流的损失,提高机组效率。

3.工况调节范围更宽

为了使机组的工况范围更宽,组装式离心压缩机在进口处安装了叶片调节器。由于在结构上进口调节器与叶轮进口很近,叶片调节器不仅可以通过进口节流的方式根据用户管网的变化对压缩机的压力、流量等参数进行调节,而且可以通过改变进口气流与叶轮旋转方向的角度(进气预选调节)改变压缩机的功耗,真正起到节能的作用。

4.结构紧凑、占地面积小、安装方便

组装式压缩机的结构非常紧凑,从剖面图中可以看到它的蜗壳直接装配在齿轮箱上,而且在整体布置上,是将压缩机本体(含齿轮箱)、油箱和润滑油系统、电动机甚至较小机型的中间气体冷却器都组装到一个公用底座上。不仅占地面积小,而且安装调试非常方便,基础施工相对简单,现场施工时间短,深受用户欢迎。当然,组装式离心压缩机也有它的不足之处:由于结构的限制,目前最高只能达到7～8级压缩,当机组压比太大时并不适用;受结构的限制,密封尺寸和安装方式决定了暂时还不能作为石油化工企业中的原料压缩机等。

三、组装式压缩机的关键技术

组装式离心压缩机具有很多的优点,但其设计和制造相对复杂。在开发这种压缩机时不仅要对机组的结构进行研究和试验,还需要对许多关键的单元技术进行先期或平行的研究和开发。

1.高性能的模型级基本级

是压缩机的核心部分,也是压缩机设计的关键技术,基本级性能的高低直接影响压缩机的整机效率。组装式压缩机适用的模型级以高压小流量为主,为了提高压比叶轮转速很高,气流速度接近甚至超过音速,而且流量小,流道中的摩擦损失大,流动情况复杂,需用三维粘性分析技术进行流场的模拟分析。这类跨音速的高压小流量模型级研究的难度较大。我公司利用引进的NREC、NUMECA和国产气动分析软件对这种半开式高马赫数的模型级做了多年的研究开发工作,先后研制了DHK-65、DHK-40模型级和NRECA1、A2、A3等基本模型级,整体性能达到了国际先进水平。

2.可靠的强度分析和振动分析

组装式离心压缩机是一种高速旋转的动力机械设备,目前我公司生产的这种压缩机转速已经达到近50000r/min,叶轮圆周速度最高的已超过450m/s。在这种情况下,旋转部件的强度校核和机组的振动分析显得格外重要。叶轮计算包括在离心力作用下叶轮的强度计算、叶轮在高速旋转状态下叶片的位移量、叶轮孔与轴之间的过盈量及松动转速计算等。转子振动分析计算包括各个转子的一阶、二阶、甚至三阶临界转速计算、转子的不平衡响应计算、轴系的振动分析等。

3.高效换热器

换热器的技术参数指标不仅影响到机组的耗水量、出气温度,而且对机组的气动性能也有很大的影响。我公司与西安交通大学联合开发了冷却器设计程序,结合引进技术开发出了组装式离心压缩机新的冷却器系列。为了进一步提高冷却器的换热效率,减小冷却器体积并大幅度降低耗水量,我公司还开发出了内肋片式的高效冷却器。用于本系列压缩机,可以提高整机的气动性能。

4.齿轮与轴承技术的研究

组装式离心压缩机设计时一般要求连续运转2年或3年,每个工作轴的转速一般都在20000～50000r/min之间,齿轮转速比在10～20之间,齿轮周速达到120～150m/s,轴承周速也超过80m/s。这种高速比的高速齿轮和轴承在设计和制造上是有相当难度的,因此齿轮技术的研究也是组装式离心压缩机的一个重要课题。

5.机械结构的设计与研究

由于这种压缩机具有多轴、高速旋转的特点,同时又要求结构布置极其紧凑,因此在研制这种压缩机时需要解决许多结构设计问题。例如转子各零部件的结构造型和装配形式都要经过详细的计算和试验,既要保证零部件本身的使用功能可靠,又要考虑到旋转零部件的应力、应变和转子的振动特性、轴系的振动特性等,是一个与多学科相关的复杂问题。

四、组装式压缩机的国产化

我公司自行研究的SVK型组装式离心压缩机目前已经形成系列的有SVK2、SVK4、SVK6、SVK8、SVK12、SVK16、SVK20和SVK25、SVK32等机型,可以输送空气和氮气,流量范围从2000～35000m3/h,压缩机包括1级、2级和3级,压比可以从1.5～11。根据用户的不同使用条件和要求,这些压缩机也可以被设计成为4级,压比可以达到20左右。在SVK型组装式离心压缩机系列产品逐步完善并形成一定的生产能力以后,又开始研制4轴的高压组装式离心压缩机。这种压缩机最多可以进行6级压缩,压比可以达到60左右。预计到2004年,这种多轴的组装式离心压缩机将会进入市场。现已形成完整系列并已在实际中得以应用的SVK型组装式离心压缩机。

五、结论

组装式离心压缩机具有许多优点,但目前由于技术原因尚不能适用于所有的场合,随着压缩机设计和制造技术的不断提高,它的应用范围也会越来越宽。我国组装式离心压缩机虽然起步较晚,并且到目前为止最高只能达到4级压缩,但近几年已经生产了60余台机组,不仅在国内市场占有一席之地,而且少量产品出口到国外。预计一年以后,国产的5～6级的多轴组装式离心压缩机即可面世,并在2～3年内能够达到年产80台各种形式的组装式离心压缩机的能力,取代更多的进口设备。

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